关于某水电站黄土湿陷性试验研究

李文涛

（新疆水利水电勘测设计研究院试验研究所 新疆 昌吉 831100）

1 前言

某渠道通水后，局部渠段发生面板沉降和漏水现象。为查明原因，防止类似事件再次发生或对渠道安全运行造成影响，对渠道湿陷性黄土渠段及类似地质条件的渠道进行重点现场调查复核。

本次试验针对该工程的湿陷性黄土，沿深度方向对物理、力学性质的变化规律进行研究，并对黄土地基湿陷变形做出评价。

2 黄土基本性质

2.1 颗粒组成及分类

该工程在引水渠线基础细粒土层17个探坑内，用刻槽法取扰动样17组，进行了颗粒分析、比重、液限、塑限等物理性试验。该黄土颗粒粒径组成主要以粉粒为主，占61.0%～89.5%，粘粒含量为9.0%～21.0%，胶粒含量占5.0%～11.5%。液限为25.8%～27.7%，塑限为16.0%～17.4%，塑性指数在9.3%～11.2%之间。根据《土工试验规程》（SL237-1999）的规定，按塑性图分类分别定名为低液限黏土（CL）、低液限粉土（ML）（见表 1）。

2.2 主要化学成分

该工程黄土主要化学成分是SiO2（60.0%～70.0%）、Al2O3（5.5%～7.0%）、Fe2O3（7.0%～9.3%）。黄土的可溶性盐包括易溶盐（氯化物盐类及硫酸盐）、中溶盐（石膏CaSO4）和难溶盐（石灰质CaCO3），易溶盐类是以硫酸盐为主，易溶盐阴离子以SO42-、CL-为主，阳离子以Na+、Ca2+为主。

当水浸入黄土中，使胶结土粒的凝胶变为溶胶部分时，易溶盐被溶解带走，黄土骨架颗粒发生位移，形成粒状架空接触或半胶结形式，使结合水膜加厚，胶结连接部分被削弱破坏，形成松散的结构形式，因此该段黄土易产生湿陷性变形。

表1 黄土颗粒粒径组成

2.3 孔隙比

孔隙比是反应黄土的压缩性、湿陷性力学性质及工程特性的重要指标，一般黄土的孔隙比的大小与上覆土层自重压力有关。根据试验资料（见表3）按照《湿陷性黄土地区建筑规范》中“孔隙比为1或以上为强湿陷性黄土，孔隙比小于0.85的黄土一般不具备湿陷性”判定标准，可初步确定该渠线黄土具有湿陷性。

2.4 渗透性

该水电站渠线段黄土渗透系数k20=8.0×10-6cm/s～8.5×10-4cm/s（代表垂直方向的渗透系数），根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50287-99岩土渗透性分级规定，可定为中等透水层。由于该段黄土垂直节理发育，并具有大孔隙性，故其透水性要大得多，也是诱发黄土湿陷性的主要因素之一。

2.5 压缩性

土的压缩性是指土在荷重作用下，体积压缩变小的性能，与黄土的孔隙比及特性有关。通常用土的压缩系数av（MPa-1）和压缩模量Es（MPa）表示土的压缩性指标。判定标准如下：av1～3＜0.1MPa-1、Es＞15MPa 时为低压缩性土，9.52，平均值为 8.99，呈碱性；遇水av1～3是压力为 100kPa～300kPa时的压缩系数（MPa-1），下同；0.1MPa-1≤av1～3＜1.0MPa-1、5MPa＜av1～3≤15MPa时为中等压缩性土；av1～3≥1.0MPa-1、Es≤5MPa 时为高压缩性土。湿陷性黄土含水量增大，其湿陷性降低而压缩性增高。当达到饱和后，在荷载作用下土的湿陷性退化而全部转化为压缩性。黄土在一定压力下，浸水后结构迅速破坏而产生显著附加沉陷变形。由表5可知，在浸水饱和状态下，该水电站渠线黄土压缩系 数 av=0.095MPa-1～0.540MPa-1、Es=2.31MPa-1～15.14MPa-1，均属中等压缩性黄土，主要原因是黄土在浸水后产生较大的湿陷变形。

表2 黄土化学分析统计表

表3 黄土孔隙比统计表

表4 黄土的渗透性指标

表5 黄土的压缩性

图1 黄土湿陷系数与埋深关系曲线图

3 黄土湿陷变形特征

渠道黄土其厚度一般在距地表0～11m，分不同位置和深度对17个探坑共采取了50组原状样。深度由浅到深，黄土湿陷性试验采用单线法（50kPa、100kPa、200 kPa、300kPa、400kPa压力下） 测试黄土的湿陷系数δs值及湿陷起始压力Psh。黄土原状样均取自探坑，取样间距一般按1m控制，5.0m后按2m间距取样，原状黄土样在各级压力下的湿陷系数汇总见表6。

湿陷性黄土的湿陷程度，可依据GB50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》中湿陷系数δs值判断，分为下列三种：①当0.015≤δs≤0.03时湿陷性轻微；②当0.03＜δs≤0.07时湿陷性中等；③当δs≥0.07时湿陷性强烈。采用200kPa压力下的湿陷系数δs=0.015进行黄土湿陷性判别，黄土在0～8m深度内，湿陷系数一般为0.020～0.055，最大达0.109，属轻微～中等湿陷性。

表6 不同深度下黄土室内湿陷试验成果汇总表

由此判断5m以下黄土具有轻微湿陷性。该工程黄土在50kPa、100kPa及200kPa压力下黄土湿陷系数与埋深的大致关系见图1（黄土湿陷系数与埋深关系曲线图）。该工程区渠道沿线黄土湿陷性在8m深度范围内均具有湿陷性，并有随埋深增加有减小的规律，并且随着压力的增大，湿陷性随之增强。

4 结论

⑴湿陷变形是在充分浸水饱和情况下产生的，它的大小除了与土体本身密度和结构有关外，主要取决于土的初始含水量和浸水饱和时的作用压力。

⑵根据《土工试验规程》（SL237-1999）的规定，按塑性图分类为低液限粉土（ML），该工程区沿线黄土颗粒组成基本相似，并具有多种孔隙类型，渗透系数在8.0×10-6cm/s～8.5×10-4cm/s之间，属中等透水地层。

⑶该工程区沿线黄土具有典型黄土特征，主要表现在大孔隙性，以粉粒为主；含有大量盐类（主要为硫酸盐），pH值一般在8.20～9.52，平均值为8.99，呈碱性；遇水易溶解带出形成松散的结构形式，易产生湿陷沉降变形。由于黄土受地形、地貌及成因的影响，其内部有微少裂隙及结构面，使黄土成为不连续的均匀介质，削弱了黄土结构强度，同时裂隙的存在往往成为地表水和地下水的渗流通道，使黄土地基浸水、饱和、降低其强度，并有可能在较高水头作用下，发生潜势流土。

⑷该工程区管线和渠道沿线黄土在8m深度范围内均具有湿陷性，并有随埋深增加湿陷性减小的规律，并且随着压力的增大，湿陷性随之增强，由此判断8m以下黄土不排除也具有一定的湿陷性。

本次试验对黄土湿陷性的研究也只是表面肤浅的认识，今后还需进一步从黄土成因、分布特性、微晶结构、矿物成分以及黄土原位载荷（浸水）试验着手进行深入研究。充分认识黄土湿陷变形对建筑物的危害性，为今后更好地解决该地区在建项目工程地质问题提供借鉴。陕西水利

[1]GB50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》[S].

[2]工程地质手册（第四版）[M].中国建筑工业出版社.2007,2.

[3]王永焱,林在贯等．中国黄土的结构特征及物理力学性质[M]．科学出版社.1990.